路基排水溝機械化施工的碳排放計算及方案比選

邢浩，吳佳潤，李瀚，林宇亮，郭冬冬

（1.中鐵七局集團第四工程有限公司，湖北 武漢 430074；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075）

0 引言

隨著全球氣溫的不斷升高，人類的生產(chǎn)生活受到了越來越嚴重的影響［1-2］，控制全球氣溫的升高已經(jīng)成為世界各國亟須解決的問題。2016 年，全世界178 個締約方共同簽署了《巴黎協(xié)定》，目標是將全球氣溫的上升幅度控制在1.5 ℃以內(nèi)［3］。中國作為目前全球第一大碳排放國，不斷努力降低碳排放強度，履行簽署《巴黎協(xié)定》時的承諾，主動提出于2030 年實現(xiàn)“碳達峰”、2060 年實現(xiàn)“碳中和”的目標［4-6］。國際能源署的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，交通運輸行業(yè)的碳排放量位居第三，占總碳排放量的25%以上［7］。公路交通建設(shè)由于其建設(shè)規(guī)模較大，使用機械設(shè)備較多，損耗材料與能源多，建設(shè)過程中產(chǎn)生的碳排放量巨大。隨著交通運輸行業(yè)的快速發(fā)展，中國公路總里程不斷增加，公路交通建設(shè)產(chǎn)生的碳排放逐漸引起人們的重視。

汪慧穎［8］建立適用于廣西高速公路碳排放因子庫和計算模型，計算了廣西壯族自治區(qū)25 條高速公路的碳排放量，并采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隨機森林算法對高速公路建設(shè)期碳排放量進行預測；閆強等［9］從原材料生產(chǎn)、原材料運輸以及路面施工3 個階段研究了瀝青路面結(jié)構(gòu)類型對建設(shè)期碳排放的影響；White等［10］設(shè)計了一種可以模擬不同路面類型道路建設(shè)過程碳排放量的模型，通過調(diào)整模型參數(shù)，設(shè)計人員可以根據(jù)不同條件優(yōu)化路面設(shè)計；Chang 等［11］估算了舊金山至阿納海姆高速鐵路建設(shè)的碳排放，發(fā)現(xiàn)建材生產(chǎn)和運輸分別占總碳排放量的80%和16%；宋莊莊等［12］以某已建高速公路為背景，分析不同階段的能耗與碳排放，認為使用階段的能耗與碳排放占比在90%以上；Cass 等［13］基于密歇根州的兩段路面，整合施工數(shù)據(jù)，計算了公路建設(shè)、維護與修復施工過程中產(chǎn)生的碳排放量；萬杰［14］基于全生命周期理論，計算了高速公路建設(shè)各階段的碳排放量，并研究了施工階段碳減排方案，研究表明：采用綠色低碳材料以及優(yōu)化施工組織設(shè)計可以減少碳排放量；孟祥晨［15］提出了瀝青路面原材料生產(chǎn)、原材料運輸與施工建設(shè)3 個階段的能耗與碳排放量化模型，并提出了相應(yīng)的碳減排措施；彭波等［16］提出了適用于瀝青面層施工碳排放的計算方法，并分析了各環(huán)節(jié)的碳排放權(quán)重系數(shù)，提出了相應(yīng)的低碳建設(shè)方案。

國內(nèi)外學者針對公路交通建設(shè)產(chǎn)生的碳排放進行了較多相關(guān)研究，主要研究考慮不同的碳排放因子、量化評價方法以及建設(shè)階段公路路面建設(shè)的碳排放量，但少有涉及路基排水溝施工過程碳排放量的研究，而路基排水溝作為路基路面工程中重要的排水設(shè)施，在施工過程中同樣會產(chǎn)生大量的碳排放量［17］。因此，本文以勐綠高速公路工程為依托，提出路基排水溝施工產(chǎn)生的碳排放量與投資成本的計算方法；為平衡碳排放量與投資成本的關(guān)系，引入碳交易的概念，通過正交試驗實現(xiàn)路基排水溝傳統(tǒng)支模法與液壓動力式滑模法兩種施工方案的綜合比選；基于正交試驗，對水溝上邊長、澆筑厚度、建材運距與建造長度4 個關(guān)鍵因素進行敏感性分析，同時研究兩種施工方案建設(shè)各階段碳排放量對總碳排放量的貢獻率。

1 依托工程及計算模型

勐綠高速公路土建4 標起止里程為：K63+424（干溝寨山1 號大橋起點）～ZK86+884（YK86+871）（石樓梯山隧道進口），線路正線全長19.678 km。本標段跨越2 個設(shè)計標段和2 個縣級行政區(qū)域，起止里程分別為：設(shè)計1 標（勐臘縣境內(nèi)）：K63+424～K74+296.37，線路長10.872 km；設(shè)計2 標（江城縣境內(nèi)）：K78+066～ZK86+884，線路正線長8.805 km。該工程根據(jù)沿線地形、地質(zhì)、水文、氣象等條件以及橋涵設(shè)置等情況，設(shè)置邊溝、排水溝、截水溝、橋梁涵洞等排水設(shè)施，形成完善的路基排水系統(tǒng)，保證路基和周圍水系的通暢，防止地表水和地下水對路基穩(wěn)定造成危害。

路基排水溝的傳統(tǒng)支模法施工工藝流程如圖1所示。溝槽開挖的傳統(tǒng)工藝采用機械開挖方式為主、人工開挖方式為輔，小挖機使用傳統(tǒng)的挖斗按測量灰線進行開挖，預留10 cm 人工清除。溝槽開挖平整后，均勻攤鋪10 cm 厚砂漿找平層。傳統(tǒng)支模法混凝土澆筑施工工藝分為立模、混凝土攪拌、混凝土運輸、混凝土卸落、混凝土澆筑、拆模。液壓動力式滑模法［18-19］施工流程與傳統(tǒng)支模法施工流程相似。溝槽開挖采用挖機配置特異型挖斗快速開挖，達到一次成槽效果，且溝槽的平整度較好，故不進行水泥砂漿找平。混凝土澆筑施工前將液壓動力式滑模設(shè)備安裝在溝槽內(nèi)，施工時通過液壓裝置擠壓已澆筑完成的混凝土進行移動，同時設(shè)備自帶附著式平板振搗器對混凝土進行振搗。

圖1 路基排水溝施工工藝流程Figure 1 Construction process of roadbed drainage ditch

結(jié)合工程背景，建立路基排水溝施工的碳排放計算模型如圖2 所示，對比計算路基排水溝傳統(tǒng)施工方案與液壓動力式施工方案的碳排放量與投資成本，并對兩種施工方案進行碳排放與經(jīng)濟性的綜合性比選研究。其中水溝底邊長為l1，上邊長為l2，水溝開挖深度為h，混凝土澆筑厚度為a，整個模型的長為L，高為H。

圖2 路基排水溝碳排放計算模型示意圖Figure 2 Schematic diagram of carbon emission calculation for roadbed drainage ditch

2 碳排放及投資成本計算

2.1 碳排放量計算

依據(jù)《建筑碳排放計算標準》（GB/T51366—2019）［20］，建筑全生命周期碳排放計算分為運行階段、建造及拆除階段、建材生產(chǎn)及運輸階段3 個階段碳排放量的總和。建筑運行階段碳排放計算范圍包括暖通空調(diào)、生活熱水、照明及電梯、可再生能源、建筑碳匯系統(tǒng)在建筑運行期間的碳排放量，路基排水溝不涉及前述計算范圍內(nèi)容，故可不計算運行階段碳排放量。根據(jù)路基排水溝的施工流程（圖1），路基排水溝的施工不包含拆除工程，故不計算拆除階段的碳排放量。因此，路基排水溝施工的總碳排放量包括建材生產(chǎn)、建材運輸以及建造3 個階段的碳排放量，如式（1）所示：

式中：C為總碳排放量；CSC為建材生產(chǎn)階段碳排放量；CYS為建材運輸階段碳排放量；CJZ為建造階段碳排放量。

2.1.1 建材生產(chǎn)階段

建材生產(chǎn)階段的碳排放量為各主要建材消耗量與各碳排放系數(shù)乘積之和。路基排水溝消耗的主要建材為混凝土、水泥砂漿以及鋼模板，根據(jù)《建筑碳排放計算標準》（GB/T51366—2019）［20］，建材生產(chǎn)階段的碳排放量計算如式（2）所示：

式中：j1為路基排水溝溝身的混凝土用量；j2為砂漿墊層砂漿用量；j3為鋼模板鋼材用量；P為路基排水溝建造長度；F1、F2、F3分別為生產(chǎn)混凝土的碳排放系數(shù)、生產(chǎn)水泥砂漿的碳排放系數(shù)以及生產(chǎn)鋼材的碳排放系數(shù)，根據(jù)《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）［20］取值如表1 所示。

表1 主要建筑材料生產(chǎn)碳排放系數(shù)Table 1 Carbon emission coefficient of major building material production

2.1.2 建材運輸階段

路基排水溝運輸階段的碳排放主要考慮建材運輸以及開挖土體運輸?shù)奶寂欧?。其中建材運輸?shù)奶寂欧虐ɑ炷?、水泥砂漿以及鋼模板的運輸過程中的碳排放，路基排水溝開挖土體在實際工程中采用就近堆棄方式，故可以不考慮開挖土體運輸?shù)奶寂欧拧?/p>

建材運輸?shù)奶寂欧庞山ú倪\輸車產(chǎn)生。建材運輸車等機械設(shè)備產(chǎn)生的碳排放量與其消耗能源量成比例關(guān)系，比例系數(shù)為機械設(shè)備消耗各類能源的碳排放系數(shù)，結(jié)合《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）［20］，取值如表2 所示。因此，根據(jù)《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）［20］，建材運輸階段的碳排放量的計算公式為：

式中：x為運距；f1、f2、f3分別為混凝土、水泥砂漿以及鋼模板運輸車每公里能源消耗量；p1、p2、p3分別為混凝土、水泥砂漿以及鋼模板運輸車單車容量；QF1、QF2、QF3分別為混凝土、水泥砂漿以及鋼模板運輸車消耗能源的碳排放系數(shù)。

2.1.3 建造階段

建造階段的碳排放主要考慮建造過程中所使用的機械設(shè)備消耗驅(qū)動能源所產(chǎn)生的碳排放。路基排水溝建造過程包括溝槽開挖和混凝土澆筑，根據(jù)《建筑 碳 排 放 計 算 標 準》（GB/T 51366—2019）［20］，路 基排水溝建造階段的碳排放量計算公式為；

式中：W1為挖掘機單位時間內(nèi)消耗的油量或電能；T1為溝槽開挖中土方開挖消耗的時間；EF1為挖掘機消耗能源的碳排放系數(shù)；W1為混凝土澆筑所用設(shè)備單位時間內(nèi)消耗的油量或電能；T2為灌注混凝土消耗的時間；EF2為灌注混凝土所用設(shè)備消耗能源的碳排放系數(shù)。EF1和EF2取決于不同功能的工程機械設(shè)備的消耗能源類型，具體取值如表2 所示。

2.1.4 總碳排放量

綜上所述，將式（2）、（6）、（7）代入式（1）即可得到路基排水溝施工的總碳排放量的表達式：

2.2 投資成本計算

路基排水溝的投資成本計算與碳排放量計算相同，只考慮建材生產(chǎn)、建材運輸以及建造3 個階段的投資成本，如式（9）所示：

式中：I為總投資成本；ISC為建材生產(chǎn)階段投資成本；IYS為建材運輸階段投資成本；IJZ為建造階段投資成本。

路基排水溝的建材成本由澆筑所用混凝土、鋪設(shè)找平層所用水泥砂漿以及立模所用鋼模板的生產(chǎn)成本組成。因此，路基排水溝建材生產(chǎn)成本的計算公式為：

式中：k1為混凝土單價；k2為水泥砂漿單價；k3為鋼材單價；其他參數(shù)意義同前。

路基排水溝的運輸成本主要為各建材運輸產(chǎn)生的運輸費用，其表達式為：

式中：r1為混凝土運輸單位運距單價；r2為水泥砂漿運輸單位運距單價；r3為鋼材運輸單位運距單價；其他參數(shù)意義同前。

路基排水溝建造成本為溝槽開挖以及混凝土澆筑所產(chǎn)生的費用，因此，路基排水溝建造成本的表達式為：

式中：k4為溝槽開挖平均每小時成本；k5為混凝土澆筑平均每小時成本。k4和k5包含人工費、機械費與管理費等。

綜上所述，將式（10）～（12）代入式（9）即得到路基排水溝的總投資成本的表達式為：

3 綜合方案比選

為平衡施工過程產(chǎn)生的碳排放與投資成本，基于支付意愿理論［21］，引入碳交易［22］的概念，將二氧化碳的排放權(quán)作為一種商品進行交易，以實現(xiàn)基于碳排放量的施工方案綜合比選。根據(jù)2021 年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《碳排放權(quán)交易管理暫行條例（草案修改稿）》，中國目前碳排放配額以免費分配為主，逐步擴大有償分配比例，同時在碳市場成熟后，引入碳稅［23］。因此，本文不計算實際碳排放量超出碳排放配額部分的成本，而是將施工方案的投資成本通過碳交易的方式轉(zhuǎn)化為碳排放量，即投資成本可購買的碳排放權(quán)，再與實際施工過程產(chǎn)生的碳排放量結(jié)合得到施工方案的等效碳排放量，如式（14）所示，碳交易過程中二氧化碳排放權(quán)的定價由實時市場供需關(guān)系所決定。對比液壓動力式滑模施工與傳統(tǒng)支模法施工兩種方案的等效碳排放量，值小者對應(yīng)的施工方案為減碳理念下的較優(yōu)方案，若兩者相等則認為達到了路基排水溝減碳方案綜合比選的分界線。

式中：C等效與C分別為等效碳排放量與實際碳排放量；I為總投資成本；PCO2為實時碳交易價格。

針對勐綠高速公路工程，基于等效碳排放量對路基排水溝的傳統(tǒng)施工方案與液壓動力式施工方案進行綜合比選。對于圖2 的路基排水溝碳排放計算模型，擬定路基排水溝的底邊長l1以及開挖深度h均為0.6 m，對水溝上邊長為l2，建材運距x以及水溝建造長度P選取5 個水平，混凝土澆筑厚度a選取4 個水平設(shè)計正交試驗，且不考慮參數(shù)之間的相互影響，5 個水平取值如表3 所示。根據(jù)上海環(huán)境能源交易所2021 年10 月的數(shù)據(jù)，將單位碳排放交易額PCO2定為42 元/t。

基于25 組三參數(shù)五水平一參數(shù)四水平混合正交試驗，傳統(tǒng)支模法施工碳排放量、液壓動力式滑模施工碳排放量、傳統(tǒng)支模法施工成本、液壓動力式滑模施工成本、傳統(tǒng)支模法施工等效碳排放量、液壓動力式滑模施工等效碳排放量以及各組試驗最優(yōu)施工方案的試驗結(jié)果如表4 所示。根據(jù)正交試驗結(jié)果可知：液壓動力式滑模施工方案施工過程的碳排放與投資成本均優(yōu)于傳統(tǒng)支模法施工方案，基于等效碳排放量得出的最優(yōu)方案可知，液壓動力式滑模施工方案也優(yōu)于傳統(tǒng)支模法施工方案。

表4 正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

對所選取的水溝上邊長、混凝土澆筑厚度、建材運距以及水溝建造長度這4 個關(guān)鍵因素進行敏感性分析，計算傳統(tǒng)支模法施工等效碳排放量和液壓動力式滑模施工等效碳排放量4 個參數(shù)各水平的平均值，并求取各參數(shù)的極差，如表5 所示。極差值越大說明該參數(shù)對試驗結(jié)果影響越大。對于傳統(tǒng)支模法施工方案的參數(shù)敏感性排序為：水溝建造長度P＞澆筑厚度為a＞水溝上邊長為l2＞建材運距x；對于液壓動力式滑模施工方案的參數(shù)敏感性排序為：澆筑厚度為a＞水溝建造長度P＞建材運距x＞水溝上邊長為l2?？梢钥闯觯簼仓穸扰c水溝建造長度對液壓動力式滑模施工與傳統(tǒng)支模法施工兩種方案的影響較大，因此在路基排水溝施工方案設(shè)計時應(yīng)著重考慮澆筑厚度與水溝建造長度。從極差分析表中選擇四因素各水平中碳排放量最小的水平，即可得到兩種施工方案4 個參數(shù)的最優(yōu)值，對于傳統(tǒng)支模法施工方案，水溝上邊長為0.6 m、混凝土澆筑厚度0.15 m、建材運距為15 km 以及水溝建造長度為10 km；對于液壓動力式滑模施工方案，水溝上邊長為0.8 m、混凝土澆筑厚度0.05 m、建材運距為20 km 以及水溝建造長度為10 km。

表5 極差分析表Table 5 Range analysis table

基于25 組正交試驗結(jié)果，分析液壓動力式滑模法與傳統(tǒng)支模法各階段的等效碳排放量貢獻率，并計算平均值，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 各階段等效碳排放量貢獻率平均值Figure 3 Average contribution rate of equivalent carbon emissions in each stage

由圖3 可以看出：液壓動力式滑模法建材生產(chǎn)階段與建造階段的等效碳排放量對總碳排量的貢獻率較高，采用該方案施工時應(yīng)該控制建材生產(chǎn)階段與建造階段的碳排放量；而傳統(tǒng)支模法的建材生產(chǎn)階段等效碳排放量對總碳排量的貢獻率最高，采用該方案施工時應(yīng)該著重注意減少建材生產(chǎn)階段的碳排放量。

減碳率是指液壓動力式滑模法的等效碳排放量較傳統(tǒng)支模法減少的比率，計算公式如式（15）所示。根據(jù)式（15）計算25 組正交試驗的減碳率，并取平均值，結(jié)果如圖4 所示。液壓動力式滑模法3 個階段的等效碳排放量均少于傳統(tǒng)支模法，且建材生產(chǎn)階段與建材運輸階段的減碳率為91.92%和85.06%。施工全階段液壓動力式滑模法的減碳率為85.58%，因此選擇路基排水溝施工方案時建議選擇液壓動力式滑模法。

圖4 液壓動力式滑模法各階段減碳率平均值Figure 4 Average carbon reduction rate of hydraulically powered sliding formwork in each stage

式中：PCR為減碳率；C等效，支模與C等效，滑模分別為傳統(tǒng)支模法等效碳排放量和液壓動力式滑模法等效碳排放量。

由于在建材生產(chǎn)及運輸階段，液壓動力式滑模施工方案機械化一次性成槽技術(shù)開挖的溝槽較為平整，節(jié)約了找平層水泥砂漿的使用，同時液壓動力式滑模設(shè)備的引入減少了鋼模板的使用，減少了水泥砂漿和鋼模板在生產(chǎn)與運輸過程中產(chǎn)生的碳排放和投資成本；在建造階段，傳統(tǒng)施工工藝采用機械開挖+人工開挖的方式，施工效率低下，二次返工現(xiàn)象嚴重，機械化一次性成槽技術(shù)能夠達到取出挖斗倒土之后即可得到設(shè)計圖紙要求的水溝溝槽，減少了人工成本的投入，并提高了施工效率，減少挖掘機的開挖時間，故也降低了機械開挖過程中產(chǎn)生的碳排放與機械費用；傳統(tǒng)施工工藝混凝土澆筑過程需要立模與拆模等工藝，工序復雜煩冗，且最后混凝土的澆筑成型質(zhì)量不佳，容易出現(xiàn)蜂窩麻面，滑模機的使用加快了混凝土的攤鋪速度，降低了人工費、管理費等投資成本，但滑模機的引入使機械費增加，導致建筑階段液壓動力式滑模法比傳統(tǒng)支模法的減碳率低。

4 結(jié)論

（1） 依托實際工程，建立路基排水溝施工的碳排放計算模型，介紹傳統(tǒng)支模法與液壓動力式滑模法兩種施工方案的施工流程，并明確從建材生產(chǎn)、建材運輸、建造3 個階段計算兩種施工方案的碳排放與投資成本。

（2） 選取水溝上邊長、澆筑厚度、建材運距與建造長度4 個關(guān)鍵因素設(shè)計正交試驗，基于等效碳排放量對兩種施工方案的綜合比選，得到液壓動力式滑模法均優(yōu)于傳統(tǒng)支模法。并進行極差分析，澆筑厚度與建造長度對兩種施工方案的影響均較大，在考慮減碳的施工方案設(shè)計時，應(yīng)著重考慮澆筑厚度與水溝建造長度。

（3） 傳統(tǒng)支模法建材生產(chǎn)階段對總碳排放量的貢獻率平均值超過90%，選擇該方案施工時應(yīng)著重注意控制建材生產(chǎn)階段的碳排放；液壓動力式滑模法建材生產(chǎn)與建造階段對總碳排放量的貢獻率較高，選擇該方案施工應(yīng)注意減少建材生產(chǎn)與建造階段的碳排放。

（4） 液壓動力式滑模法從溝槽開挖和混凝土澆筑兩個施工流程改進了傳統(tǒng)支模法，因此3 個階段的等效碳排放量均少于傳統(tǒng)支模法，考慮碳排放量，路基排水溝施工方案建議優(yōu)選液壓動力式滑模法。